11. Звуки в мире информации

Определения и обозначения

Звук — колебания, которые распространяются в упругой среде и воспринимаются слухом. Источником может быть голос, музыкальный инструмент или механизм. Изучать звук как информацию нужно потому, что по нему можно передать сообщение: например, предупредить сигналом об опасности или сообщить новости речью.

Аналоговый сигнал — величина, которая меняется непрерывно и может принимать множество значений. Так ведёт себя звуковое колебание в воздухе и электрический сигнал микрофона. Это понятие помогает понять, почему компьютер не может просто сохранить звук «как есть»: ему нужны данные в числовой форме.

Цифровой звук — звуковая запись, представленная числами. Для её получения сигнал измеряют через равные промежутки времени и записывают результаты кодами. Такой способ нужен, чтобы компьютер мог хранить звук в файле, копировать его и выполнять обработку.

Как это устроено

Микрофон превращает звуковые колебания воздуха в меняющийся электрический сигнал. Само колебание непрерывно: между двумя выбранными моментами оно успевает принять множество промежуточных значений. Компьютер работает с числами, поэтому непрерывный сигнал приходится заменить конечным набором измерений. Этот переход называют оцифровкой.

Сначала выполняется дискретизация: уровень сигнала измеряется через одинаковые промежутки времени. Частота дискретизации показывает, сколько таких измерений сделано за секунду, и измеряется в герцах. Если измерения проводить чаще, запись точнее передаёт быстрые изменения звука; при слишком редких измерениях часть особенностей может потеряться. Поэтому выбор частоты связан с тем, насколько подробно нужно сохранить звук и сколько памяти для этого доступно.

Затем каждому измеренному уровню назначается ближайшее значение из ограниченного набора — это квантование. Число бит, используемых для одного измерения, называют разрядностью: при n битах можно различить 2ⁿ уровней. Большая разрядность позволяет кодировать уровень точнее, но увеличивает объём данных. После этого значения кодируются числами, которые компьютер может хранить и обрабатывать.

При воспроизведении компьютер использует сохранённые значения, чтобы восстановить сигнал, а динамик превращает электрические изменения обратно в колебания воздуха. На качество записи влияют и частота дискретизации, и разрядность: один параметр отвечает за частоту измерений, другой — за точность каждого измерения. На размер файла также влияют длительность и число каналов. Например, стереозапись содержит два канала, поэтому при прочих равных она занимает примерно вдвое больше места, чем монофоническая.

Параметры цифровой записи звука

Сравнивая записи, сначала проверьте, какой параметр изменился, а затем оцените его влияние на точность или размер файла. Частота дискретизации и разрядность — не одно и то же: первая задаёт количество измерений, вторая — число возможных кодов для каждого измерения. Для оценки объёма учитывайте также длительность и число каналов.

Разбор задач

Условие. Нужно оценить объём несжатого монофонического звукового файла длительностью 10 секунд. Частота дискретизации равна 22 000 измерений в секунду, разрядность — 16 бит. Считаем, что в файле нет дополнительных данных, а значения хранятся без сжатия.

1. Определим число измерений. За одну секунду записывается 22 000 значений, а длительность составляет 10 секунд. Значит, всего будет 22 000 × 10 = 220 000 измерений.

2. Найдём, сколько бит требуется для этих измерений. На одно измерение приходится 16 бит, поэтому получаем 220 000 × 16 = 3 520 000 бит. Умножение нужно потому, что каждое из всех измерений кодируется отдельно.

3. Переведём биты в байты: в одном байте 8 бит. Делим 3 520 000 на 8 и получаем 440 000 байт. Так как запись монофоническая, умножать результат на число каналов не нужно.

4. Для приблизительного перевода в кибибайты разделим 440 000 на 1024. Получается около 430 КиБ. Это оценка объёма самих звуковых данных; служебная информация файла в неё не включена.

Ответ: несжатая монофоническая запись займёт 440 000 байт, или примерно 430 КиБ. Если бы при тех же настройках звук был стереофоническим, потребовалось бы два канала, и объём данных был бы примерно вдвое больше. При сжатии фактический размер мог бы измениться.

Типичные ошибки

• Путать частоту дискретизации и разрядность. Частота показывает, сколько раз в секунду измеряют сигнал, а разрядность — сколько бит отводят одному измерению. Их могут смешивать, потому что оба параметра влияют на качество и размер записи. Проверьте себя вопросами: «Сколько измерений за секунду?» и «Сколько бит на одно измерение?»

• Забывать число каналов. В стереозаписи данные записываются для двух каналов, поэтому её объём при прочих равных примерно вдвое больше, чем у моно. Ошибка возникает, если посчитать данные только для одного канала. Перед вычислениями выпишите, моно это или стерео, и включите число каналов в формулу.

• Не переводить биты в байты. Результат умножения числа измерений на разрядность получается в битах, а размер файла часто указывают в байтах. Чтобы проверить ответ, разделите количество бит на 8, поскольку 1 байт = 8 бит. Не смешивайте байты и кибибайты: для приблизительного перевода в КиБ делят на 1024.

• Считать, что параметры полностью определяют размер любого файла. Формула даёт оценку для несжатой записи, а сжатие и служебные данные могут изменить размер. Такое упрощение удобно для быстрого расчёта, но не всегда описывает реальный файл точно. Уточните, требуется ли найти объём несжатых данных или размер файла в конкретном формате.

Связь с другими темами

Оцифровка звука связана с представлением информации в компьютере: звук становится числовыми данными, которые можно хранить в двоичном виде. Для вычисления размера записи пригодятся знания о битах, байтах и переводе единиц измерения. Работа микрофона и динамика связывает информатику с физикой: электрический сигнал возникает из звуковых колебаний и затем снова превращается в них. Обработка аудиофайлов также похожа на работу с изображениями: в обоих случаях непрерывный объект представляют набором цифровых данных.

Что запомнить

• Звук передаёт информацию, а компьютер сохраняет его в виде чисел.

• При дискретизации сигнал измеряют через равные промежутки времени; частота дискретизации показывает число измерений за секунду.

• Разрядность определяет число бит на одно измерение: при n битах доступно 2ⁿ уровней.

• Объём несжатого звука зависит от частоты дискретизации, разрядности, числа каналов и длительности.

• Для оценки в байтах число измерений умножают на разрядность и число каналов, а затем делят на 8.